帶有槽缺陷游樂設施用Q235圓管構件彎曲破壞聲發射特性

張洪波 王聰 孫陽

摘要：為研究帶有槽缺陷游樂設施用Q235圓管構件破壞時聲發射特性，利用聲發射技術監測其三點彎曲破壞過程。通過對載荷時間曲線與聲發射相對能量、幅度、振鈴計數特征參數歷程圖的綜合分析，可將其破壞過程劃分為3個階段。該過程聲發射信號幅值主要集中在4070dB之間，且隨缺陷長度增加，超過70dB信號振鈴計數明顯增多，典型階段特征參數峰值增大。相對能量持續時間歷程圖中高持續時間、低能量信號來自于加載過程中的噪聲干擾。聲發射特征參數將缺陷微小變化對構件整體性能的影響量化，歷程圖變化與力學行為一一對應，建立聲發射特征信號與彎曲力學性能和缺陷長度的聯系，為聲發射監測游樂設施損傷的判定提供依據。

關鍵詞：聲發射監測;Q235圓管;三點彎曲

中圖分類號：TH142.1 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）05-0038-05

收稿日期：2017-04-15;收到修改稿日期：2017-05-16

基金項目：河北大學大學生創業訓練計劃項目（2016166）

作者簡介：張洪波（1977-），男，河北唐山市人，副教授，主要從事特種設備無損檢測研究。

0 引言

近年來我國游樂設施行業進入快速發展階段，然而對游樂設施的檢測技術仍依賴于常規無損檢測手段[1-2]。作為常見載人設備的一種，游樂設施正向大型化、高速化、新奇化發展，發生危險干系重大，這就決定了對其構件進行安全性能評價時不應局限于對靜態指標的檢測[3]。聲發射技術是一種探測設備整體活性缺陷演變狀態的新型無損檢測技術，能夠通過記錄聲發射信號特征參數對在役設備進行實時、整體、連續監測，從而深入、全面地了解構件的損傷破壞過程，實現對設備的早期故障診斷[4-6]。

目前國內尚無游樂設施聲發射檢測技術方面的具體標準，僅有部分單位和學者做過相關嘗試。李良[7]將聲發射技術理論應用于大型游樂設施（摩天輪），對其關鍵部位（如主軸）出現裂紋時進行在線監測，為其安全評定提供依據。聲發射技術被應用于材料破壞過程的動態監測，陽能軍等[$]通過研究30CrMnSi三點彎曲過程中的聲發射累計振鈴計數進一步分析其損傷演化過程。張忠政等[9]研究了錯金屬拉伸過程中的聲發射參數和頻率特性，并以此表征了錯金屬拉伸過程不同階段的損傷狀況。謝志龍等[10]利用聲發射參數變化探求不同取樣方向鋼板試件的特征差異。Sahoo等[11]利用聲發射計數在拉伸屈服點附近出現最大值來表征不同退火溫度對304不銹鋼試件的影響。聲發射信號的分析與處理方面也暫無統一標準，參數分析、人工神經網絡、小波分析等方法均可用于不同條件下不同信號的識別與分離，具有一定準確性[12-13]。

本文主要利用聲發射技術監測帶有不同長度槽缺陷的游樂設施用Q235圓管構件三點彎曲過程，通過分析載荷、相對能量、振鈴計數等參數與時間的相互關聯，總結聲發射特征信號與彎曲力學性能和缺陷長度的關系，為聲發射監測游樂設施損傷的判定提供依據。

1 試驗部分

1.1 試樣制備

試驗材料選用游樂設施用長400mm，外徑87.2mm，壁厚3.6mm的Q235有焊縫管狀構件，并預設橫向槽缺陷。槽缺陷深度和寬度為0_5mm，長度分別為3，4，6，10，15mm。橫向槽缺陷長度與管狀試件長度方向一致，且垂直于管件受力方向。管件焊縫置于加載最下方，與三點彎曲夾具下端兩支點相接觸。橫向槽缺陷距離焊縫弧長為90mm。缺陷位置與傳感器布置如圖1所示，其中夾具兩支點距離為160mm，傳感器線性布置且使其關于缺陷兩側對稱，間距280mm。

1.2 試驗過程

管狀試件三點彎曲試驗在CMT5305型微機控制電子萬能試驗機上進行，加載速度為2mm/min，預加載最大壓力為10kN，卸載壓力至1kN，保載20s后繼續加載，設定加載最大位移為34mm時停止。同時用Vallen AMSY-5型全數字全波形8通道聲發射儀監測彎曲破壞過程。其中，傳感器頻帶寬度為100450kHz，中心頻率150kHz，內置門檻值40dB，采樣頻率為2.50MHz。

2 試驗結果分析

聲發射事件的強度能夠通過聲發射特征參數（相對能量、幅度和振鈴計數）反映，聲發射特征參數與時間歷程圖中數據變化趨勢可以有效描述管狀構件三點彎曲時缺陷的損傷演化過程。

2.1 加載力學性能和聲發射相對能量歷程圖分析

帶有不同長度槽缺陷管狀構件載荷和相對能量隨時間變化如圖2所示。

依據其變化可以將試件彎曲過程分為微裂紋形成階段、裂紋穩定擴展階段和失穩擴展階段3個部分。

1）微裂紋形成階段。隨著加載過程進行，載荷增速逐漸放緩，聲發射信號相對能量出現小幅增高后降落。這是由于載荷不斷增長促使材料內部晶格間發生滑移，而槽缺陷處應力集中嚴重導致缺陷尖端塑性區增大較快，微裂紋在此高應力區最先萌生，之后不斷閉合、張開。但是微裂紋形成時釋放應變能較低，所以此階段聲發射相對能量歷程圖僅顯示小幅波動，不過隨缺陷長度由3mm到15mm，此階段能量峰值由2007.49eu增大至4289.95eu。

2）裂紋穩定擴展階段。裂紋擴展行為隨加載過程間斷進行，尖端塑性區累積能量釋放后實現宏觀裂紋的穩定擴展，此時塑性區釋放能量高于微裂紋形成階段，并且隨著缺陷長度的增加，此階段相對能量峰值明顯增大，相對能量歷程圖中顯示出大幅度增漲。但是，隨著缺陷長度增加，受到裂紋尖端鈍化現象的影響，特征參數歷程圖中顯示的增漲波動幅度逐漸平緩。

3）失穩擴展階段。該階段相對能量保持短時間較高值后迅速降落，意味著裂紋逐漸擴展至臨界長度后開始失穩擴展，材料發生嚴重變形。此時伴隨大量應變能釋放。

2.2 其他聲發射特征參數歷程圖分析

加載試件聲發射參數振鈴計數—時間、幅度—時間、振鈴計數—幅度歷程圖如圖3所示，相對能量—持續時間歷程圖如圖4所示。

由圖3中振鈴計數—時間、幅度—時間歷程圖可看出，圖示參數在試驗過程中整體變化趨勢與相對能量歷程圖中所示相似。微裂紋形成階段幅值較低、振鈴計數較少，僅有小幅度增漲出現。而裂紋擴展階段參數數值迅速攀升，使之成為特征參數高數值集中區域。之后，參數歷程有略微降落趨勢，但隨著載荷不斷增加，試件進入失穩擴展階段，信號振鈴計數與幅度再次升高。

在振鈴計數—幅度歷程圖中可得出兩者呈現正相關關系，且清晰顯示信號幅值主要集中在40～70dB。隨著缺陷長度增加，超過70dB信號振鈴計數大幅增漲。結合幅度—時間歷程圖可知超過70dB高幅值信號主要來自裂紋擴展階段，且隨缺陷增長高幅值信號占比增大。

圖4中聲發射參數相對能量與持續時間大致呈正相關關系，但在圖像后期出現類花束狀分散顯示。分析可知，高持續時間、低能量值信號來自試驗過程中的噪聲干擾，包括摩擦、夾具與試件的磨合等。所以可利用該歷程圖檢驗降噪措施有效性。

3 結束語

1）試驗采集到的聲發射信號有效記錄了Q235圓管構件三點彎曲過程中的特征信息，實時反映了材料變形過程。

2）通過載荷、聲發射相對能量、幅度和振鈴計數與時間關系對不同長度槽缺陷的材料變形進行分析，參數歷程圖變化與試件破壞的典型力學特征一一對應，并將破壞過程分為微裂紋形成、裂紋穩定擴展和失穩擴展3個階段，利用聲發射特征參數歷程圖形象、直觀描述了彎曲破壞的力學過程。

3）隨著缺陷長度的增加，裂紋穩定擴展階段特征參數峰值明顯增大且顯示波動幅度逐漸變小。聲發射特征參數將缺陷微小改變對構件整體性能的影響量化，為活性缺陷的判斷和評價提供依據。

4）聲發射振鈴計數與幅度，相對能量與持續時間呈正相關關系。加載過程中信號幅值主要集中在4070dB之間，且隨缺陷長度增加，超過70dB信號振鈴計數明顯增多。相對能量與持續時間歷程圖中高持續時間、低能量值信號主要來自試驗過程中的噪聲干擾，包括摩擦、夾具與試件的磨合等。

參考文獻

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（編輯：商丹丹）